[논문]단열 페인트 첨가제로써 중공형 실리카 나노입자의 크기에 따른 효과

김지수; 김영훈

doi:10.7464/ksct.2022.28.1.18

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에너지 절약을 위한 연구 중 단열 기술 분야에서는 공기의 낮은 열전도도를 활용한 연구가 이뤄지고 있으며 널리 상용화 되고 있다. 본 연구에서는 입자 내부에 공기층을 갖는 중공형(hollow) 형태의 실리카 나노 입자를 제조하여 공기층 크기가 단열 성능에 미치는 영향에 대해 고찰하였다. Polystyrene 주형법을 이용하여 졸-겔공정을 통해 속이 빈 중공형 실리카 나노 입자(Hollow silica nanoparticles)를 제조하였고, 입자를 5 wt %로 도료에 첨가한 후 열전달 실험을 통해 단열 성능을 확인하였다. 기존 페인트에 입자를 혼합하여 약 15 %이상의 단열효율을 나타냈으며, 내부 공기층의 크기가 큰 입자가 작은 입자에 비해 5% 높은 단열 성능을 나타냈다. 이번 연구를 통해 내부 크기에 따른 단열효과의 차이를 보여줌으로써, 중공형 형태의 입자를 첨가제나 도료 제조에 사용하는 경우 단열효과를 높이기 위해 매질 내에서 입자가 공기층을 최대로 이룰 수 있도록 입자의 크기를 고려해야함을 제시한다.

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Using air as an insulator due to its low heat transfer coefficient has been studied and has been widely commercialized to save energy in the field of thermal insulation technology. In this study, we analyzed the heat insulating effect of hollow silica nanoparticles mixed in non-uniform size, and the...

Using air as an insulator due to its low heat transfer coefficient has been studied and has been widely commercialized to save energy in the field of thermal insulation technology. In this study, we analyzed the heat insulating effect of hollow silica nanoparticles mixed in non-uniform size, and the maximum heat insulating efficiency of these particles given the limited number of particles that can be mixed with a medium such as paint. The hollow silica nanoparticles were synthesized via a sol-gel process using a polystyrene template in order to produce an air layer inside of the particles. After synthesis, the particles were analyzed for their insulation effect according to the size of the air layer by adding 5 wt % of the particles to paint and investigating the thermal insulation performance by a heat transfer experiment. When mixing the particles with white paint, the insulation efficiency was 15% or higher. Furthermore, the large particles, which had a large internal air layer, showed a 5% higher insulation performance than the small particles. By observing the difference in the insulation effect according to the internal air layer size of hollow silica nanoparticles, this research suggests that when using hollow particles as a paint additive, the particle size needs to be considered in order to maximize the air layer in the paint.

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그림 Figure 1. Scheme illustration of preparation for hollow silica nanoparticles (HSN).
그림 Figure 2. The results of hydrodynamic diameter of polystyrene synthesized with different ratio (stabilizer:monomer:initiator) (a) 1:10:0.2 and (b) 1:5:0.05.
그림 Figure 3. TEM images of 1-H at (a) 10 k and (b) 30 k, and the size distribution of (c) inner diameter and (d) shell thickness of 1-H.
표 Table 1. Properties for each synthesized hollow silica nanoparticle.
표 Table 2. Calculation of the number of silica nanoparticles contained in the paint.
그림 Figure 4. TEM images of 2-H at (a) 10 k and (b) 30 k, and the size distribution of (c) inner diameter and (d) shell thickness of 2-H.
그림 Figure 5. Scheme illustration of comparison to the thermal insulation performance according to diameter of hollow silica nanoparticles.
그림 Figure 6. Temperature variation of glass plate coated paint with different hollow silica nanoparticles under irradiating 3.5 W NIR laser.
그림 Figure 7. Temperature variation of glass plate coated paint with different hollow silica nanoparticles over three cycles of irradiating 3.5 W NIR laser.

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